艦載多傳感器資源調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王發(fā)龍，姜 寧，于 雷

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連116018;2.海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001;3.中國(guó)人民解放軍91278 部隊(duì)，遼寧 大連116041)

1 多傳感器資源調(diào)度問(wèn)題描述

在實(shí)際的傳感器使用中，常常面臨著以下問(wèn)題:一是不同類(lèi)型的傳感器具備不同的任務(wù)保障能力，適用于不同的作戰(zhàn)任務(wù);二是復(fù)雜的、高動(dòng)態(tài)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)傳感器性能發(fā)揮產(chǎn)生強(qiáng)不確定性;三是有限的傳感器資源，只能為有限的作戰(zhàn)任務(wù)提供保障服務(wù);四是隨機(jī)發(fā)生的傳感器故障或干擾，可能導(dǎo)致作戰(zhàn)任務(wù)無(wú)法執(zhí)行或失?。?］。另外，單一傳感器由于工作方式、覆蓋范圍、探測(cè)精度和輻射功率有限，對(duì)多目標(biāo)的探測(cè)、識(shí)別和跟蹤效果有限。因此，為了更好地保障作戰(zhàn)任務(wù)的完成，必須對(duì)艦載多傳感器資源進(jìn)行合理的使用規(guī)劃和統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)信息的綜合利用和傳感器能力互補(bǔ)，充分發(fā)揮出艦載多傳感器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能［2］。

多傳感器資源調(diào)度就是利用有限的傳感器資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)空域的多批目標(biāo)進(jìn)行掃描、偵察、識(shí)別、跟蹤等，以獲取目標(biāo)的各種具體指標(biāo)特性的最優(yōu)度量值，以及最佳的干擾樣式和參數(shù)等，并根據(jù)調(diào)度最優(yōu)準(zhǔn)則對(duì)傳感器資源進(jìn)行合理科學(xué)的分配［3-4］。

2 艦載多傳感器資源規(guī)劃

2.1 傳感器性能及約束條件

對(duì)多傳感器資源進(jìn)行調(diào)度之前必須獲知各個(gè)傳感器資源性能，分析和梳理出傳感器在哪些方面可進(jìn)行管理和調(diào)度，主要包括:

1)傳感器的工作頻域。主要弄清楚系統(tǒng)內(nèi)各傳感器工作頻率范圍，以及某一個(gè)傳感器工作頻率的頻段(頻點(diǎn))劃分。如不同功能(搜索、跟蹤)的艦載雷達(dá)可能的工作頻段有米波段、L、S、C、X等;紅外跟蹤器、電視跟蹤器，導(dǎo)彈遙控指令收發(fā)系統(tǒng)，電子偵察系統(tǒng)，通信偵察系統(tǒng)和有源干擾系統(tǒng)的工作頻段。

2)傳感器的工作空域。主要弄清楚系統(tǒng)內(nèi)各傳感器工作空域，包括傳感器的有效作用距離(最大工作距離、最小工作距離)，俯仰角范圍等。如對(duì)空雷達(dá)、對(duì)海雷達(dá)和火控雷達(dá)的工作空域存在著一定的差異，選擇不同的量程對(duì)應(yīng)不同距離的目標(biāo)。

3)傳感器的工作模式。主要弄清楚具有不同工作模式的傳感器各工作模式所對(duì)應(yīng)的功能和參數(shù)設(shè)置等。如某些雷達(dá)具有被動(dòng)、主動(dòng)和低截獲概率工作模式等，新型雷達(dá)電子戰(zhàn)一體化系統(tǒng)具有雷達(dá)和電子戰(zhàn)工作模式等。

4)傳感器的資源特性。主要弄清楚傳感器的測(cè)量精度、數(shù)據(jù)率、通道數(shù)、目標(biāo)容量、總功率以及發(fā)射功率的可變范圍等。

5)傳感器的隸屬性。所謂傳感器隸屬性，就是武器系統(tǒng)與傳感器的對(duì)應(yīng)關(guān)系。例如，對(duì)于某一武器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有某唯一指定傳感器能為其提供信息保障，那么我們稱這個(gè)傳感器為這個(gè)武器系統(tǒng)的專屬傳感器;如果有2 種或2 種以上的傳感器可以為某一武器系統(tǒng)提供信息保障，但是對(duì)這2 種傳感器選擇卻有優(yōu)先順序，優(yōu)先選擇的傳感器為主傳感器，另外的成為兼顧傳感器，調(diào)度過(guò)程中若主傳感器資源受限，調(diào)用兼顧傳感器進(jìn)行信息保障。

2.2 作戰(zhàn)任務(wù)與傳感器使用規(guī)劃

以水面艦艇遂行對(duì)空作戰(zhàn)任務(wù)為例，將對(duì)空作戰(zhàn)區(qū)域劃分為遠(yuǎn)中近三層防區(qū)，遠(yuǎn)層防區(qū)為遠(yuǎn)程對(duì)空警戒區(qū)域，中層防區(qū)為中程對(duì)空交戰(zhàn)區(qū)域，近層防區(qū)為近程對(duì)空交戰(zhàn)區(qū)域，層區(qū)劃分和主要作戰(zhàn)任務(wù)如圖1所示。另外，3個(gè)層區(qū)中還涉及方位范圍劃分、仰角范圍劃分等。

圖1 對(duì)空作戰(zhàn)區(qū)域劃分和傳感器武器使用示意圖Fig.1 Illustration of the combat area division and the main operational task

1)目標(biāo)探測(cè)任務(wù)。主要利用艦載雷達(dá)對(duì)指定空域(全空域、威脅扇面、海面)進(jìn)行搜索跟蹤，盡早發(fā)現(xiàn)來(lái)襲目標(biāo)。

2)電子偵察任務(wù)。主要利用電子偵察系統(tǒng)、通信偵察系統(tǒng)以及雷達(dá)系統(tǒng)(被動(dòng)工作方式)對(duì)作戰(zhàn)空域指定頻率范圍進(jìn)行偵察，盡早發(fā)現(xiàn)敵通信信號(hào)(短波、超短波、數(shù)據(jù)鏈等)、雷達(dá)輻射源信號(hào)(機(jī)載和艦載搜索警戒雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、火控雷達(dá)，以及導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá))，為綜合態(tài)勢(shì)和威脅預(yù)估提供信息。

3)目標(biāo)識(shí)別任務(wù)。主要利用敵我識(shí)別系統(tǒng)、電子偵察系統(tǒng)、雷達(dá)、紅外跟蹤系統(tǒng)、電視跟蹤系統(tǒng)等，對(duì)已發(fā)現(xiàn)或疑似存在目標(biāo)(或假目標(biāo))進(jìn)行身份識(shí)別(敵方、我方、友方)和屬性識(shí)別(飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈等)。

4)目標(biāo)跟蹤任務(wù)。主要利用雷達(dá)(米波段、S波段、X 波段、雷達(dá)電子戰(zhàn)一體化設(shè)備)、紅外跟蹤系統(tǒng)、電視跟蹤系統(tǒng)等，對(duì)指定目標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，為武器打擊提供信息保障(精確跟蹤)。

5)電子干擾任務(wù)。主要利用電子偵察系統(tǒng)、電子干擾系統(tǒng)、通信干擾系統(tǒng)等，對(duì)敵搜索雷達(dá)、火控雷達(dá)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)、指揮系統(tǒng)、通信網(wǎng)、指揮網(wǎng)等采取電子干擾和反干擾措施。

2.3 傳感器使用策略規(guī)劃

只有對(duì)傳感器使用策略進(jìn)行準(zhǔn)確詳細(xì)的規(guī)劃，才能?chē)@使用策略采取優(yōu)化措施和方法，提高傳感器工作效能。艦載多傳感器使用策略規(guī)劃包含傳感器單獨(dú)使用策略規(guī)劃和傳感器協(xié)同使用策略規(guī)劃兩部分。

1)傳感器單獨(dú)使用策略規(guī)劃。指的是找出系統(tǒng)中可獨(dú)立保障某一作戰(zhàn)任務(wù)的傳感器及其使用策略。如，敵我識(shí)別系統(tǒng)可獨(dú)立保障目標(biāo)敵我屬性的判斷任務(wù);某些雷達(dá)可獨(dú)立完成某一空域目標(biāo)的搜索和跟蹤任務(wù);電子偵察系統(tǒng)可獨(dú)立完成某一頻段電磁信號(hào)的偵察告警和威脅判斷等任務(wù)。使用策略規(guī)劃主要指根據(jù)傳感器在不同條件下的性能指標(biāo)，對(duì)傳感器的使用進(jìn)行預(yù)處理。如根據(jù)各雷達(dá)在不同距離、不同高度、不同方位上探測(cè)威力(對(duì)目標(biāo)的搜索概率值、跟蹤精度等)不同，預(yù)先對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各雷達(dá)的使用范圍和時(shí)機(jī)進(jìn)行規(guī)劃，構(gòu)建完整的遠(yuǎn)中近銜接緊密，高中低搭配合理的雷達(dá)探測(cè)體系;電子干擾系統(tǒng)有效干擾區(qū)間;

2)傳感器協(xié)同使用策略規(guī)劃。指的是找出系統(tǒng)中可按指定的時(shí)間順序依次或同時(shí)完成某一作戰(zhàn)任務(wù)的2 種或2 種以上傳感器組合及其使用策略。傳感器協(xié)同使用策略規(guī)劃最重要的內(nèi)容是尋求傳感器之間是否存在協(xié)同機(jī)會(huì)，以及協(xié)同使用是否會(huì)提高傳感器的效能值。如，傳感器協(xié)同工作，是否會(huì)提高探測(cè)空域覆蓋范圍?是否會(huì)提高對(duì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率?是否會(huì)提高目標(biāo)跟蹤精度?是否會(huì)提高目標(biāo)識(shí)別率等。

協(xié)同策略規(guī)劃可從任務(wù)需求分析和傳感器互補(bǔ)2個(gè)方面進(jìn)行:

①?gòu)娜蝿?wù)需求分析上，主要體現(xiàn)在作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)類(lèi)型、空域范圍、識(shí)別正確率、跟蹤精度、抗干擾能力等方面。

②從傳感器互補(bǔ)性上，則主要體現(xiàn)在傳感器工作頻段、工作模式、空域覆蓋范圍、環(huán)境適應(yīng)能力等方面。例如，為了減少傳感器之間的相互干擾，傳感器大都選擇在不同的工作波段;若不可避免地選擇相同的工作波段，則應(yīng)選擇不同的工作方式，即一個(gè)為主動(dòng)式，一個(gè)被動(dòng)式;為縮短雷達(dá)搜索時(shí)間，可選擇電子偵察系統(tǒng)引導(dǎo)雷達(dá)對(duì)指定方位進(jìn)行目標(biāo)搜索和跟蹤［4］。

3 艦載多傳感器資源調(diào)度模型

設(shè)艦載傳感器系統(tǒng)的傳感器論域?yàn)閁={Ui}，i=1，2，…，n，n 為傳感器(傳感器組)數(shù)目，作戰(zhàn)任務(wù)論域?yàn)閂={Vj}，j=1，2，…，m，m 為任務(wù)數(shù)量。

3.1 “傳感器-任務(wù)”效能因子

定義rij為傳感器Ui對(duì)任務(wù)Vj的效能因子。rij表示傳感器Ui對(duì)任務(wù)Vj進(jìn)行保障時(shí)，傳感器Ui對(duì)系統(tǒng)所做貢獻(xiàn)值，它是任務(wù)優(yōu)先級(jí)threat(Vj)與傳感器與任務(wù)的匹配度match(Ui)的函數(shù)。效能因子rij的確定是多傳感器資源分配的關(guān)鍵，由rij組成效能矩陣R，既是多傳感器分配的基礎(chǔ)［6］。

其中threat(Vj)為任務(wù)Vj的優(yōu)先級(jí)，它與作戰(zhàn)任務(wù)所對(duì)應(yīng)目標(biāo)的威脅等級(jí)和任務(wù)的緊迫程度有關(guān)。例如，對(duì)于同一傳感器，它所保障的任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高，對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值就越大，則效能因子就越大;反之，越小?？梢?jiàn)rij與threat(Vj)成正比關(guān)系。

match(Ui)為傳感器Ui保障作戰(zhàn)任務(wù)Vj的匹配度。對(duì)于不同的傳感器與任務(wù)，匹配度的計(jì)算方法也會(huì)不同。它可以是傳感器工作覆蓋范圍與任務(wù)要求的范圍大小的比例關(guān)系;也可以是傳感器獲取目標(biāo)特征參數(shù)精度與系統(tǒng)需求的參數(shù)精度比例關(guān)系等，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。例如，有的傳感器獲取目標(biāo)特征參數(shù)精度很高，而當(dāng)系統(tǒng)對(duì)這些特征參數(shù)精確要求不高時(shí)，若將此傳感器用于此目標(biāo)，必然造成資源浪費(fèi);若傳感器獲取目標(biāo)特征參數(shù)精度較低，而系統(tǒng)對(duì)這些特征參數(shù)精度要求較高時(shí)，若將此傳感器用于此目標(biāo)，則會(huì)影響系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致任務(wù)的失敗。設(shè)傳感器測(cè)得各參數(shù)精度為A=(α1d，α2d，…，αbd)，系統(tǒng)對(duì)各參數(shù)精度要求為B=(α1s，α2s，…，αbs)，則

當(dāng)match(Ui)=1 時(shí)，說(shuō)明傳感器與任務(wù)取得最佳匹配，否則，或造成資源浪費(fèi)，或無(wú)法滿足需求。

3.2 多傳感器資源調(diào)度模型

艦載多傳感器資源調(diào)度是以滿足任務(wù)需求為目的，根據(jù)“傳感器-任務(wù)”效能因子和傳感器性能約束，對(duì)所有任務(wù)與傳感器策略進(jìn)行優(yōu)化匹配，對(duì)傳感器資源進(jìn)行合理調(diào)度，充分發(fā)揮傳感器最佳效能，從獲得最優(yōu)的系統(tǒng)綜合效能。建立資源調(diào)度模型如下:

式中:k 為傳感器Ui的某種工作模式;為Ui在工作模式k下的最大任務(wù)容量。

4 資源調(diào)度系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

艦載多傳感器資源調(diào)度系統(tǒng)主要功能:一是解決何時(shí)選用何種傳感器提供服務(wù)保障;二是解決何時(shí)選擇2 種或2 種以上傳感器進(jìn)行協(xié)同工作;三是指定傳感器的工作狀態(tài)、工作時(shí)機(jī)、工作模式以及工作參數(shù)等;四是對(duì)傳感器資源使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和傳感器能力預(yù)估。系統(tǒng)功能示意圖如圖2所示。

圖2 艦載多傳感器資源調(diào)度系統(tǒng)示意圖Fig.2 Illustration of the shipboard multi-sensor resource scheduling system

作為資源調(diào)度系統(tǒng)，首先要確定系統(tǒng)的輸入和輸出變量，以及系統(tǒng)決策機(jī)制。

4.1 系統(tǒng)輸入變量

系統(tǒng)的輸入變量是水面艦艇遂行作戰(zhàn)任務(wù)過(guò)程中各種作戰(zhàn)任務(wù)的集合T。設(shè)Tyj為預(yù)警探測(cè)任務(wù)子集，Tyj={Tyj1，Tyj2，…，TyjE};Tzc為電子偵察任務(wù)子集，Tzc={Tzc1，Tzc2，…，TzcF};Tsb為目標(biāo)識(shí)別任務(wù)子集，Tsb={Tsb1，Tsb2，…，TsbG};Tgz為目標(biāo)跟蹤任務(wù)子集，Tgz={Tgz1，Tgz2，…，TgzH};Tgr為電子干擾任務(wù)子集，Tgr={Tgr1，Tgr2，…，TgrI};則作戰(zhàn)任務(wù)集T={T1，T2，…，TN}，Ti∈(Tyj∪Tzc∪Tsb∪Tgz∪Tgr)，N=E+ F+ G+ H+ I，N 為作戰(zhàn)任務(wù)集中任務(wù)總數(shù)等于任務(wù)子集任務(wù)數(shù)之和。

在資源調(diào)度前，系統(tǒng)需要對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)集T 中的作戰(zhàn)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。

4.2 系統(tǒng)決策機(jī)制

系統(tǒng)決策機(jī)制就是根據(jù)傳感器策略集、傳感器約束集和傳感器效能集，通過(guò)查詢機(jī)制，為任務(wù)集中的每個(gè)任務(wù)安排傳感器使用策略，并對(duì)傳感器(傳感器組)工作時(shí)序、工作模式、工作參數(shù)等進(jìn)行管理，以便及時(shí)獲取和提供任務(wù)所需的各種信息。具體步驟為:第1 步，查詢傳感器策略集中滿足任務(wù)集中每個(gè)任務(wù)需求的傳感器(傳感器組)策略，可能存在一個(gè)或多個(gè)策略，生成任務(wù)與傳感器策略的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖;第2 步，查詢傳感器資源約束集，查看滿足任務(wù)需求傳感器策略對(duì)應(yīng)的傳感器資源剩余情況、使用情況和約束條件，判斷哪幾個(gè)傳感器策略可用;第3步，計(jì)算可用傳感器策略對(duì)任務(wù)的貢獻(xiàn)度大小，也就是“傳感器—任務(wù)”的效能值，并進(jìn)行排序和選擇優(yōu)化;第4 步，綜合分析所有作戰(zhàn)任務(wù)和傳感器策略，在保證系統(tǒng)獲取最大作戰(zhàn)效能的前提下，為每個(gè)作戰(zhàn)任務(wù)安排最優(yōu)的傳感器策略，生成具體的傳感器工作指令。圖3所示為系統(tǒng)資源調(diào)度流程圖。

圖3 系統(tǒng)資源調(diào)度流程圖Fig.3 The flow chart of system resource scheduling

4.3 系統(tǒng)輸出變量

系統(tǒng)輸出變量，就是根據(jù)最終的作戰(zhàn)任務(wù)與傳感器策略的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)將給出每個(gè)傳感器工作的時(shí)間、模式、空間范圍、頻率、功率，以及傳感器組合協(xié)同工作樣式(先后順序工作、同時(shí)工作、交接、引導(dǎo))等具體參數(shù)指令，進(jìn)而控制艦載多傳感器系統(tǒng)按指令協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作。對(duì)目標(biāo)探測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，指定了傳感器工作的空域范圍φ=［α，h，d］(方位區(qū)間α，高度區(qū)間h，距離區(qū)間d);對(duì)于電子偵察任務(wù)來(lái)說(shuō)，指定了傳感器工作的空域和頻率范圍;對(duì)于目標(biāo)識(shí)別任務(wù)來(lái)說(shuō)，指定了傳感器工作內(nèi)容，如目標(biāo)身份或目標(biāo)屬性的判斷;對(duì)于目標(biāo)跟蹤任務(wù)來(lái)說(shuō)，指定了傳感器獲取目標(biāo)參數(shù)的種類(lèi)和精度，如目標(biāo)航向、速度、高度、距離以及數(shù)據(jù)率等信息;對(duì)于電子干擾任務(wù)來(lái)說(shuō)，指定了傳感器工作的功率大小、干擾樣式、干擾參數(shù)等信息。

5 結(jié) 語(yǔ)

首先根據(jù)傳感器的性能和約束條件以及作戰(zhàn)空域的劃分，對(duì)傳感器的使用策略進(jìn)行合理規(guī)劃，生成傳感器策略集。其次計(jì)算“傳感器-任務(wù)”效能因子，生成“傳感器-任務(wù)”效能集。最后根據(jù)統(tǒng)的輸入變量、輸出變量，制訂了資源調(diào)度的查詢機(jī)制和決策機(jī)制。從而對(duì)艦載多傳感器資源調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。需要下一步深入研究的問(wèn)題有:一是傳感器協(xié)同工作機(jī)制與融合算法研究;二是不同“傳感器-任務(wù)”效能因子的計(jì)算參數(shù)指標(biāo)和計(jì)算方法研究等。

［1］胡笑旋，張強(qiáng).多傳感器協(xié)同管理機(jī)制研究［C］//中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第九屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，北京，2007.

［2］李東偉，王明宇，萬(wàn)鵬飛，等.多傳感器協(xié)同管理技術(shù)分析［J］.飛航導(dǎo)彈，2011(7):77-80.

［3］陳繼軍.多傳感器管理及信息融合［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2002.

［4］HUGHES P，CHOE J.Overview of advanced multifunction RF system(AMRFS)［C］//Proc.IEEE Int.Conf.on Phased Array Systems and Technology，Dana Point.CA，2000:21-24.

［5］周開(kāi)利，陶然，王越，等.多傳感器ATR 系統(tǒng)中的傳感器選配［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1999，21(12):57-59.ZHOU Kai-li，TAO Ran，WANG Yue，et al.The sensor selection for multi-sensor ATR system ［J］.Systems Engineering and Electronics，1999，21(12):57-59.

［6］朱斯平.戰(zhàn)場(chǎng)多傳感器管理系統(tǒng)研究［D］.南京:電子科技大學(xué)，2011.